A Study on Adjustable Base Station Antenna Based on Electrical Tilt for Null Steering

(1)

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.10.1128 ISSN 1226-3133 (Print)

전기적 빔 조향기반의 기지국 안테나에 관한 연구

A Study on Adjustable Base Station Antenna Based on

Electrical Tilt for Null Steering

이 비 오․천 창 율*․정 용 식

Vea-O Lee․Chang-Yul Cheon*․Young Seek Chung 요 약

본 연구에서는 기존의 기계적 조향 방식에 의한 이동 통신 서비스 음영 지역 문제점을 개선하기 위해서 배열 안테나 빔 패턴의null-steering 기법에 기반한 전기적 빔 조향 장치를 연구하였다. 특히, 하향 —10°～0° 이내에서 빔 조향이 가변될 수 있도록 기지국 안테나 수직 빔 패턴의 —30°～0° 범위에 존재하는 null을 제거하여 하향 방향에서 전파 음영을 개선하였다. 이때 안테나의 요구 사양은 하향 조향각 조절 범위 내에서 14.5 dBi의 이득과 부엽 세기는 —18 dB 이하로 억제되어야 한다. 또한, 편파의 격리도는 30 dB 이상을 나타내어야 한다. 본 연구의

타당성을 보이기 위해W-CDMA용 기지국 안테나 및 빔 조향 장치를 설계 제작하여 그 유용성을 보였다.

Abstract

In this paper, we propose an electrically tilting system based on a null-steering in order to solve the problem of the shadowing loss caused by the mechanically tilted antenna system in mobile services. Especially, we improve the downward shadowing loss by eliminating or moving the vertical beampattern nulls between —30°～0° to be able to tilt the downward beampattern between —10°～0°. The antenna has 14.5 dBi gain and side lobe level (SLL) is lower than —18 dB within downward tilting range. The isolation of polarization is greater than 30 dB when running in electric tilt down to —10°. To verify this paper, we made the base-station antenna for W-CDMA and beam tilting devices, and verified the performances.

Key words : Null-Steering, Electrical Tilt, Base Station Antenna, Phased Array, W-CDMA

「이 논문은 2011년도 광운대학교 교내 학술연구비 지원에 의해 연구되었음.」

광운대학교 전파공학과(Department of Wireless Communication Engineering, Kwangwoon University)

*서울시립대학교 전기전자컴퓨터공학부(Department of Radio Science & Engineering, University of Seoul)

․Manuscript received June 5, 2012 ; Revised August 27, 2012 ; Accepted September 5, 2012. (ID No. 20120605-068)

․Corresponding Author : Young Seek Chung (e-mail : [email protected])

Ⅰ. 서 론

최근 스마트폰 가입자의 증가로 인하여 데이터 사용량이 빠르게 증가하고 있어 통화 품질에 많은 영향을 주고 있다. 특히, 인구 밀집도가 높은 지역에 서 데이터와 통화 사용량이 특정 기지국에 집중되어, 이동통신 서비스에 장애가 발생하기도 한다. 이러한

통신 과부하 지역의 환경을 개선시키기 위해 기지국 안테나의 몸체를 기계적으로 조향을 하여 복사 전력 의 지향성을 제어하는 방법이 보편적으로 사용되고 있으며, 최근에는 빔 조향의 수동성을 극복하기 위 해 위상 배열 안테나와 전기적으로 빔을 조향하는 스마트 안테나 기술이 활발히 연구되고 있다^[1],[2].

특히, 셀룰라 육상 이동 통신(cellular land mobile

(2)

그림 1. 빔 조향 가변 및 null-steering

Fig. 1. Example for electric tilting and null-steering.

communication)의 기지국 안테나는 분할된 각 셀에 위치하므로 특정 셀 영역에 집중되거나 위치를 지속 적으로 변경하는 사용자에 대응하기 위해 안테나 빔 조향을 조절해야할 필요성이 있다^[3],[4].

주요 도심지에서 사용되는 이동통신용 기지국 안 테나는 지면을 기준으로±45° 이중 편파를 사용하는 데, 한 번 그 설치가 완료되면 연속적인 통신 서비스 를 제공해야 하므로 설치된 기지국 안테나의 몸체를 조절하는 기계적인 빔 조향만으로는 급변하는 통신 량에 능동적으로 대처하는 데 그 한계성이 있다.

또한 안테나 빔 패턴에 존재하는null 구간으로 인 하여 통신 서비스 음영 지역이 발생하고, 커버리지 영역을 넓히기 위해 안테나의 빔 폭을 넓게 하면 기지 국 및 중계기 간의 간섭으로 전송 손실이 증가한다^[5]. 본 논문에서는 W-CDMA 대역에서 동작하는 이 동통신용 기지국 안테나의 주파수 자원 활용을 높이 고, 주요 통신 과부하 지역에서의 통신량 변화에 능 동적 대응이 가능하도록 수직 빔 패턴의 —30°～0°

구간에 존재하는null을 제거하고, 하향 —10°～0°까 지 전기적으로 빔 조향을 가변할 수 있는 빔 조향 장 치를 이용한 기지국 안테나를 제안하였다.

성능 구현을 위해 전력 분배와 위상 천이를 동시 에 수행할 수 있는 빔 조향 장치를 개발하였고, 1×7 배열 안테나를 설계 및 제작하였으며, 무반사실에 서 측정을 통해 그 성능을 검증하고 실용성을 확인 하였다.

Ⅱ. 안테나 설계 및 제작

2-1 안테나 성능 목표

표 1. 안테나 성능 규격

Table 1. Specifications of the proposed base station antenna.

항 목 규 격

Frequency 1,920～2,170 MHz

Electric tilt 0° 10°

Gain >14 dBi

Null-fill －30°～0°

VSWR 1.3 : 1

Null-depth 15 dB

Half power beam width

Vertical 10°,

±3° Horizontal 65°, ±5°

Upper side lobe suppression

－20 dB －15 dB

Grating lobe suppression Cross polarization

ratio 0°, ±60°

－25 dB

－15 dB

－20 dB

－10 dB Front to back

ratio >25 dB

Isolation >30 dB

도심지에 위치한 기지국 안테나 간의 간섭을 줄 이기 위해 수평 패턴의 빔 폭을65°±5°로 제한하고,

±45° 편파에 대한 격리도 또한 30 dB 이상으로 설정 하였다. W-CDMA 대역에서 안테나의 수직 빔 패턴 을 하향 —10°～0° 구간 내에서 전기적 빔 조향을 가 변시킬 수 있으며, 수직 빔 패턴의 —30°～0°에서 null- depth 15 dB을 유지하고, 이득은 14 dBi 이상을 가져 야 하며, 기타 파라미터는 상용화된 안테나 성능을 기준으로 하였다.

2-2 안테나 설계 및 제작

본 연구에서 전기적 빔 조향 조절 및null 제거는 복사 소자로 인가되는 비균등 전력 분배 급전과 등 간격 배열의 평면형 반파장 다이폴 안테나를 이용하 여 구현하였다. 배열 안테나의 방사 특성을 등방성 점원의 배열과 단일 복사 소자의 방사 패턴의 벡터 합성을 통해 접근한다. N개의 이상적인 등방성 안테 나가 균일한 간격으로 배열되어 있다면 방향으로, 전계 는 식 (1)과 같다.

(3)





  



_^

(1)

   sin    (2)

여기서 _은 복사 소자에 인가되는 전류의 진폭이 고, 는 전파상수이다. 는 배열 안테나의 복사 소 자 간의 간격 에 의해 발생되는 위상 편차와 전류 신호간의 위상 편차 와의 합으로 정의된다. 각 복 사 소자의 전류의 진폭이 일정하다면, 식 (2)를 최대 값으로 정규화해서 식 (3)을 도출할 수 있다^[6].

_{ }

sin

sin

(3) 식(3)은 N개의 등간격 배열 안테나에 대한 Array factor로 정의되며, 부엽의 폭은 2가 되고, 주엽 의 빔 폭은 4가 된다. 안테나의 이득을 증가시 키기 위해 배열 안테나의 복사 소자 개수을 증가 시켜 주엽의 빔 폭을 좁힐 수 있으나, 부엽의 개수는

2로 증가하게 된다.

각 복사 소자의 위상 편차를 균일하게 인가하면 주엽의 방향은 식 (4)와 같이 된다.

_ sin^



^{ }





(4)

    sin_ (5)

원하는 방향 _의 각도로 안테나의 방사 패턴을 형성하기 위해서는 각 복사 소자에 위상 편차를 주 어야 하며, 식 (5)와 같이 정의할 수 있다.

본 논문에서는null-steering을 적용하여 전파 음영 을 개선하고, 그를 위해 전기적으로 기지국 안테나의 빔 조향을 가변할 수 있는 빔 조향 장치를 제안한다.

복사 소자에 인가되는 전류의 진폭에 가중치를 부여하여 주엽의 빔 폭과 부엽의 크기를 조절하면 수직 빔 폭의30°～0° 구간에 null을 제거하고, 제 거된 구간의null-depth의 크기를 설계할 수 있다. 또 한, 목표 빔 패턴 형성 후 복사 소자 간의 위상 편차

를 조절하면 제안된 안테나의 상향측 부엽을 억제 하고, 하향측 null 제거 구간을 최소화 할 수 있다.

이를 위하여 제안된 빔 조향 장치와 복사 소자로 연결되는 전송 구간의 상대적인 길이 차로 위상 편차 를 설정하고, 빔 조향 장치의 전력 분배로 진폭에 가

그림 2. 안테나의 설계 구성도

Fig. 2. System of the proposed base station antenna.

중치를 구현한다. 또한, 제안된 장치의 위상 천이를 통해 정 중앙4번 복사 소자의 하향에 위치한 복사 소자 1, 2, 3에 위상 지연(time delay)을  ,  ,

 , 상향측에 위치한 복사 소자 4, 5, 6에 각각 ,

,  가변할 수 있다. 또한, 안테나의 목표 성능을 위해 복사 소자 간의 간격을 조정함으로써null 제거 구간 및 수직 빔 폭을 조율할 수 있다^[7],[8]. 이때 설계 변수인 진폭, 위상 및 소자 간격을 허용 범위 내에서 변화시켜 빔 패턴을 살펴보고, 목표 성능을 만족하 는 최적의 값으로 선정하였다.

배열된 각 소자로 급전되기 위한 전력 분배와 위 상 천이를 동시에 구현하기 위해7개의 출력 단자를 갖는 빔 조향 장치를 Zeland사의 IE3D 시뮬레이션 결과를 통해 설계 및 검증하였다.

제안된 빔 조향 장치는 그림3과 같이 전력 분배 와 위상 천이 가변을 동시에 수행하기 위해 상, 하층 두 개의 PCB가 적층된 구조를 가졌으며, 하측부의 전송 선로와 상측부의 전송 선로는 그림 6과 같이 물리적으로 접촉되어 전자계 결합을 통한 전력 전달 을 수행한다. 하측부의 PCB에서 1차 전력 분배가 이 루어진 후, 상측부 PCB를 통해 각 출력 단자로 전력 전달 및 분배가 이루어진다. 이때 전력 분배는 그림 6의 접촉면에 비례하며, 이를 이용하여 빔 패턴을 설계할 수 있다. 또한, 상측부 PCB의 원 운동을 통해 전력 분배를 수행함과 동시에 중앙 복사 소자를 제 외한6개의 복사 소자의 위상 천이을 구현함으로써 제안된 안테나의 전기적 빔 조향을 가변할 수 있도 록 한다.

진폭 분배를 통한 목표 빔 패턴 형상 조건은 표2 의A이며, C는 진폭 조건에 가중치를 적용하지 않은 배열 안테나의 빔 패턴이다. 안테나의 정 중앙의 복 사 소자로부터 점진적으로 가중치를 조절하여 진폭

(4)

(a) 상측부 (a) The upper part

(b) 하측부 (b) The lower part

(c) 적층된 구조 (c) The stacked form 그림 3. 빔 조향 장치의 구조

Fig. 3. The structure of an electrically tilting device.

분배비를 설정하였으며, 1차 부엽의 크기를 높임으 로써 null이 제거되는 레벨을 설계하였다.

중앙 복사 소자인4번의 진폭을 크게 할수록 부엽 의 레벨을 높여null 제거를 용이하게 할 수 있으나, 수직 빔 폭이 넓어지게 되므로 안테나 이득이 저하 되는 결과를 초래할 수 있다. 1, 7번 소자의 진폭 크 기를 줄일수록 인접한 소자와의 진폭 간격의 격차가 커지게 되고, 위상 천이기의 전력 분배 비율 분기점 의 저항 값에 큰 차이가 수반되므로 전송 선로의 선 폭의 두께가 급격하게 변화하고, 반사 손실을 낮추 기 위한 4 변환기가 요구되므로 위상 천이기의

표 2. Null 제거를 위한 진폭 조건 설계 Table 2. Magnitude conditions for null-steering.

복사 소자 1 2 3 4 5 6 7

진폭A 0.5 0.9 1.8 2.9 1.8 0.9 0.5 진폭B 0.7 1.0 1.6 2.4 1.6 1.0 0.7 진폭C 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

그림 4. 진폭 조건에 따른 빔 패턴

Fig. 4. Beam patterns with magnitude conditions.

표 3. Null 제거를 위한 위상 편차 조건 설계 Table 3. Phase conditions of each element for null-

steering.

복사 소자 1 2 3 4 5 6 7

위상D —5° —10° —15° 0° 15° 10° 5°

위상E —5° —10° —15° 0° 0° 0° 0°

위상F 0° 0° 0° 0° 0° 0° 0°

크기 소형화에 제약이 뒤따른다.

지상으로부터 수십 미터 떨어진 곳에 위치하는 기지국 안테나는 사용자보다 높은 곳에 위치하기 때 문에 상향측 자유 공간에 불필요한 전력 방사를 할 필요가 없다^[9].

상측 방향으로 지향되는1차 부엽을 억제하여 빔 패턴에서 발생하는 손실을 줄이고, 기지국 안테나로 부터 대다수의 사용자가 위치하는 하향 방향의null 만을 제거할 수 있도록 표 2의 진폭 조건 A의 빔 패턴으로부터 복사 소자에 위상 편차를 갖도록 하였 다^[10],[11].

모든 복사 소자에 동위상을 부여한 표 3의 위상

(5)

그림 5. 위상 편차 조건에 따른 빔 패턴 Fig. 5. Beam patterns with phase shift conditions.

조건F로부터 목표 위상 조건 D를 구현하기 위해서 복사 소자에 부여된 위상 편차는 안테나의 정 중앙 에 위치한4번 복사 소자를 기준으로 한 상대적 위 상 편차이다. 표 3에 표기된 각 복사 소자 간의 위상 편차는 빔 조향 장치의 출력 단자로부터 복사 소자 를 연결하는 케이블의 길이를 조절하여 설정하였다.

앞서 설계한 표2의 진폭 분배 조건 A에 위상 편차 를 부여한 표3의 D조건을 목표 빔 패턴으로 하여 본 논문에서 제안된 빔 조향 장치를 개발하였다.

그림 6의 제작된 빔 조향 장치는 안테나 접지면 판 후면부에 위치하며, 유전율 3.3, 1.6 mm 두께의 PCB로 제작되었고, 상측부 PCB 위상 천이기의 전송 선로A, B, C 구간의 선폭으로 전력 분배를 구현하 였다.

하측부PCB 전력 분배기에서 1차로 분배되어 중 앙 복사 소자4번으로 전력이 전달되고, 상측부 PCB 의A 구간의 선폭에 따른 비율로 2차 분배를 통해 복사 소자3, 5번으로 전송된다. B 구간의 선폭에 의 해3차 분배 비율이 결정되고, 전력이 전송되어 복사 소자2, 6번으로 인가된다. 선행 분배된 전력 이외의 에너지는 분배 구간C를 통과하여 최 하단과 상단에 위치한 복사 소자 1, 7번으로 전달된다. 전력 분배 전송이 이루어짐과 동시에 적층 구조의 상측부에 위 치한 위상 천이기는 안테나의 전기적 빔 조향을 가 변하기 위한 구동부와 연결되어 있으며, 구동부의 좌․우 직선 운동을 통해 위상 천이기와 결합된 톱 니바퀴를 이용하여 원 운동으로 변화시켜 위상을 천

(a) 상측부 (a) The upper part

(b) 하측부 (b) The lower part

(c) 적층된 구조 (c) The stacked form 그림 6. 제작된 빔 조향 장치

Fig. 6. The manufactured electrically tilting devices.

표 4. 목표 빔 패턴을 위한 진폭과 위상 편차 조건 Table 4. Magnitude and phase shift conditions of each

element for null-steering.

복사 소자 1 2 3 4 5 6 7

진폭 0.5 0.9 1.8 2.9 1.8 0.9 0.5

위상 —5 —15 —20 0 20 15 5

이시킴으로써 안테나 빔 조향 각의 전기적 하향 조 절을 수행한다.

W-CDMA 동작 대역에서 VSWR 1.2 : 1 이하의 정 합도를 갖고 있고, 최종 설계된 진폭 분배 조건과 위 상 편차 조건은 표4와 같다. 동일한 전력 분배 출력

(6)

그림 7. 제작된 빔 조향 장치의 S-parameter

Fig. 7. Measured S-parameter of the manufactured electrically tilting device.

그림 8. 복사 소자 배열 간격의 수직 빔 패턴 해석 Fig. 8. Analysis of vertical beam patterns by altering spa-

ce between each element.

을 가지며, 출력 단자 간의 편차는 1.2 dB이다. 제작된 빔 조향 장치의S-parameter를 그림 7에 나타내었다.

복사 소자로 인가되는 표4의 진폭과 위상 조건들 을 구현할 수 있는 빔 조향 장치를 통해 성능을 구현 하고, 식 (2)의 설계 변수를 허용범위 내에서 변화 시켜 안테나의 빔 패턴과 복사 소자 간의 배열 간격 에 따른 빔 패턴의 변화를CST사의 MWS로 확인하 였다. 빔 폭을 좁히고 안테나 이득을 더 확보하기 위 하여 설계 초기 안테나 배열 간격을1로 설정하였 으나, 설계된 수직 빔 패턴의 하향측 null 제거를

30°～0° 구간까지 할 수 있도록 0.8 이하의 간격

으로 복사 소자의 배열을 설계하였다. 배열 간격 축 소를 통해 그레이팅 로브 레벨을 저하시키고, 안테 나 전체 크기를 축소하였으나, 복사 소자 간의 간격 이 가깝게 되어 커플링 영향으로 인한 격리도 성능 이 저하되었다^[12]. ±45° 편파 간의 격리도를 개선시 키기 위해서 접지 측면의 높이를 증가시키고, 각 복 사 소자의 모서리 부분을 곡면으로 처리하여 ±45°

편파 간의 격리도를 개선하였다.

Ⅲ. 안테나 성능 측정

제작된 기지국 안테나의 복사 소자는1.6 mm 두 께와 유전율3.3을 갖는 PCB 상의 air patch 접지 형 태의 평면형 반파장 다이폴이고, 1×7 배열의 각 복 사 소자 간의 간격은 0.77 등간격을 갖고 있으며, 노출된 외부 환경에 전기적 특성을 유지함과 객체 보호를 위해FRP 레이돔을 사용하였다. FRP 레이돔 을 포함한 안테나의 크기는 가로896 mm×세로 154 mm ×높이 80 mm이다. W-CDMA 1,920～2,170 MHz 주파수 동작 대역에서VSWR 1.3 : 1 이하의 정합도 를 갖고 있으며, 격리도는 32 dB의 성능을 나타낸다.

각 복사 소자는 접지면으로부터30 mm 높이에 위치 하고 있다. 또한, 빔 조향 장치와의 임피던스 정합을 안테나 단에서 실시하였다.

상향측 부엽 억제와 수직 빔 패턴 최적화를 위해 접지면의 양옆은25 mm 높이를 갖고 있으며, 이는

(a) 전면부 (a) A top view

(b) 후면부 (b) A back view

(c) 측면부 (c) A side view 그림 9. 제작된 안테나

Fig. 9. The fabricated antenna.

(7)

그림 10. 제작된 안테나 성능 측정 Fig. 10. Measured in an anechoic chamber.

그림 11. 제작된 안테나의 반사 손실과 격리도 Fig. 11. Return losses and isolation of the manufac-

tured antenna.

안테나의 격리도와 전후방비에도 지배적인 역할을 한다. 전후방비는 수직 빔 패턴 0°～±60°와 수평 빔 패턴0°～±30°에서 각각 26 dB, 31 dB이며, 이는 빔 조향 10°～0° 범위에서 목표 성능을 만족한다.

제작된 안테나의 수직 빔 패턴의 폭은13°이며, 30°

～0° 구간에 발생하는 null이 완전하게 제거되었고, null-depth는 12 dB를 갖는다. 전기적 빔 조향을 하향

10°로 가변시켰을 때 0.4 dB의 손실이 발생되어 14.1 dBi 이득을 갖는다.

하향측 빔 조향 가변 10°～0° 구간에서 수평 복 사 패턴의 빔 폭은64°～65°를 유지하고 있다. 수평 빔 패턴의 폭이70°를 초과하면 인접한 기지국 안테 나 간의 통신 환경에 간섭을 발생시키고, 안테나 이 득이 저하되므로 목표 조건65°±5°를 유지하는 것이

(a) 빔 조향 0°

(a) A main beam is at 0°

(b) 빔 조향 －10°

(b) A main beam is at －10°

그림 12. 제작된 안테나의 수직 빔 패턴 방사 특성 Fig. 12. Measured vertical beam patterns.

중요하다.

CPR(Cross Polarization Ratio)은 수평 빔 패턴 0°에 서25 dB, 60°에서 13 dB이며, 하향 빔 조향 10°

상태에서도 패턴 형상을 안전성 있게 유지하는 결과 를 나타냈다.

상측 부엽 억제를 위해1, 7 번 복사 소자의 위상 편차를 증가시키면 빔 패턴 주엽의 조향각의 지향점 이 이동하게 되므로 위상 편차를 통한 부엽 억제에 는 제한이 있다. 빔 조향 장치의 위상 천이기를 통해 서 전달되는 전력 분배비의 격차를 줄여 _



 변환기 를 사용하지 않음으로써 갖게 되는 빔 조향 장치의 소형화를 위해서 복사 소자로 인가되는 진폭의 가중 치와 위상의 편차를 적게 하여 부엽을 억제할 수 있

(8)

(a) 빔 조향 0°

(a) A main beam is at 0°

(b) 빔 조향 －10°

(b) A main beam is at －10°

그림 13. 제작된 안테나의 수평 빔 패턴 방사 특성 Fig. 13. Measured horizontal beam patterns.

는 개선이 필요하다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 기지국 안테나의 몸체를 직접 기 울이는 기계적 빔 조향각 조절 방법이 갖고 있는 제 약성과 안테나null에 의해 발생되는 하향 방향의 전 파 음영을 개선시키기 위하여 전력 분배와 위상 천 이를 동시에 수행하는 위상 천이기를 개발하였다.

수직 빔 패턴의30°～0° 구간에 발생하는 null을 제 거하였으며, 개발한 위상 천이기를 사용하여 10°

～0° 구간에서 전기적으로 빔 조향을 가변할 수 있 는 W-CDMA 이동통신용 기지국 안테나를 제작하 고, 성능 측정을 통해 설계 목적을 달성하였다.

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이 비 오

2008년 2월: 영동대학교 정보통신

공학과(공학사)

2012년 8월: 광운대학교 전파공학과

대학원(공학석사)

2011년 2월～현재: ㈜ 감마누 연구 원

[주 관심분야] 안테나, 초고주파 회 로 설계